Eine perfekte käfigartige Nanostruktur könnte Wirkstoffmoleküle in die Zellen transportieren
Die Nanotechnologie eröffnet vielversprechende Möglichkeiten für die Abgabe und die Steuerung der Freisetzung neuer Arzneimittel sowie eine enorme Chance zur Überarbeitung alter Therapien durch Verbesserung von deren Sicherheit und Wirksamkeit. In funktionellen Nanopartikeln verkapselte Wirkstoffmoleküle können ihre therapeutische Wirkung selektiv nah am Zielgewebe oder an der Zelle entfalten, sodass der Blutkreislauf nicht mit dem Arzneimittel überschwemmt wird.
Unterstützung von Nanopartikeln bei der Erfüllung ihrer Aufgabe
Ziel des Projekts NanoIntra, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wurde, war es, eine entscheidende Hürde bei der Umsetzung der Wirkstoffabgabe durch Nanopartikel auszuräumen. Neben der präziseren Feinsteuerung und Freisetzung von Therapeutika im Nanobereich muss geklärt werden, wohin der Wirkstoff transportiert wird, wenn das Nanopartikel in die Zelle aufgenommen wird. Insbesondere verlieren Wirkstoffmoleküle jede Wirkung, wenn sie in den Endosomen verbleiben. Durch Verknüpfung von Fachwissen aus verschiedenen Bereichen wie Chemie, Biologie und Physik entwickelten die Forschenden von NanoIntra mehrere innovative Nanopartikel, darunter lumineszierende Halbleiter-Quantenpunkte, plasmonische Metallnanokristalle und Siliziumdioxidnanopartikel zur präzisen Analyse durch biomedizinische Bildgebung und Biosensorik. In einem zweiten Schritt funktionalisierten sie deren Oberfläche mit organischen Liganden, um die zelluläre Aufnahme (Endozytose) und die dann folgende Freisetzung aus den Endosomen zu fördern. „Ein wesentlicher Teil unserer Arbeit war auf die Untersuchung der Interaktion zwischen den Hybridnanomaterialien und den Zellen ausgerichtet. Schließlich entwickelten wir einen neuen Ansatz zur Oberflächenfunktionalisierung mithilfe zwitterionischer Liganden. Durch sorgfältige Feinabstimmung der Ligandendichte konnten wir ein ausgewogenes Verhältnis zwischen hoher kolloidaler Stabilität und effizienter zellulärer Aufnahme herstellen“, erklärt Tangi Aubert, Koordinator von NanoIntra.
Ein Übergitter zur Steuerung der Selbstorganisation von Nanopartikeln
Eine der wichtigsten Erkenntnisse des Projekts war, dass die Siliziumdioxidnanopartikel unter bestimmten Bedingungen einen Nanokäfig mit einer gut definierten dodekaedrischen symmetrischen Struktur bilden. „Studien haben gezeigt, dass winzige Siliziumdioxidpartikel einfach und sicher durch den Körper wandern und nicht in der Leber abgelagert, sondern über den Urin ausgeschieden werden. Möglicherweise können diese Siliziumdioxid-Nanokäfige als Behälter für Krebsmedikamente oder als Träger für diagnostische Moleküle verwendet werden“, merkt Aubert an. Für die Entwicklung dieser Polyederstruktur nutzten die Forschenden ein relativ einfaches Verfahren. Sie tauchten Seifenmoleküle in eine wässrige Lösung, um eine Schablone zu erhalten. Die Moleküle bildeten winzige Kügelchen, sogenannte Mizellen. Danach fügten sie dem Gemisch einen Siliziumdioxidvorläufer hinzu. Die negativ geladenen Siliziumdioxidcluster, die durch den Vorläufer gebildet wurden, wurden nach und nach von der positiv geladenen Oberfläche der Schablonenmizellen angezogen und bildeten dann die käfigartige Struktur. Zur Überraschung der Forschenden fand dieser Prozess ohne jegliches Eingreifen – sondern durch Selbstorganisation der Nanopartikel um die Mizellen – statt. „Aus grundlagenwissenschaftlicher Perspektive eröffnen die Nanokäfige eine einzigartige Möglichkeit für die Untersuchung der frühen Phasen der Wachstumsmechanismen geordneter mesoporöser Materialien. Die Beobachtung der Selbstorganisation der Nanobausteine zu 2D-Übergittern aus Siliziumdioxidkäfigen ist ein weiterer Schritt in diese Richtung“, fügt Aubert hinzu. Um diese flüchtigen Nanokäfige betrachten zu können, nutzten die Forschenden die Kryoelektronenmikroskopie. Nach der Analyse der unterschiedlichen Strukturausrichtungen mithilfe von Algorithmen für maschinelles Lernen rekonstruierten sie ein perfektes Dodekaeder.
3D-Druck schwammartiger Nanopartikel
Poröse Nanopartikel haben eine verbesserte Oberfläche, wodurch sie als Träger im Bereich der Biosensorik beispielsweise höchst nützlich sind. Außerdem verfügen sie über eine bessere Steuerung der Freisetzung therapeutischer Moleküle. Durch die Funktionalisierung der Siliziumdioxid-Nanokäfige mit photoreaktiven Liganden konnten die Forschenden mesoporöse Materialien mit einer großen Oberfläche und beliebigen Formen drucken. „Durch Positionierung der mit Liganden funktionalisierten Siliziumdioxidkäfige an die gewünschten Stellen des endgültigen gedruckten mesoporösen Materials können wir hocheffiziente bioanalytische Plattformen erstellen“, schließt Aubert.
Schlüsselbegriffe
NanoIntra, Nanokäfig, Ligand, Biosensorik, Wirkstoffmoleküle, Siliziumdioxid-Nanopartikel, mesoporös, Endosomen, Selbstorganisation
